糖原代谢及其调控

G1P
- [血糖]升高时Glc即可经由GLUT2 快速进入肝细胞→与F6P竞争解除 调节蛋白的抑制→激活己糖激酶Ⅳ →加速G6P的生成→促进糖原合成
- [血糖]降至< 5 mM时，Glc不足 以与F6P竞争→后者触发调节蛋 白对己糖激酶Ⅳ的抑制→肝细胞 不与其他器官竞争短缺的血糖 21
15-18a
- [AMP/ADP]升高则能解除 ATP对PFK-1的别构抑制 - F-2,6-BP是PFK-1最重要 的别构激活剂
23
15-19
丙酮酸激酶的调节
- 脊椎动物至少发现有三种 同工酶，分别存在于肝脏 (L)和肌肉(M)等肝外组织
低血糖
前 馈 激 活 蛋白激酶 A
蛋白磷酸酶 反 馈 抑 制
将Glc调剂给 大脑等组织
真核类~1/2的蛋 白质在某些条件 下均可磷酸化
(去)磷酸化 可能通过改 变酶活性位 点的静电特 性而引发相 应构象变化
- 蛋白激酶通常与相应的磷酸 蛋白磷酸酶配套作用(复原) - 和[酶]调节相似，共价修饰 也常常由某些细胞外信号所 触发，例如激素和生长因子
17
15-24
糖原磷酸化酶的共价修饰
(cf. phosphoglycerate mutase with His in 5 Glycolosis ⑧)
15-6
自学
肝糖元降解可以补充血糖
G6P酶仅存在于肝脏和肾脏，为内质网 膜上的整合蛋白(可能有九个跨膜螺旋区 段)，活性点位于腔内侧(why?)
T1/G6P酶的任一遗传 缺失均将导致糖原代 谢紊乱并最终引发Ia 型糖原贮积病
辅基磷酸吡哆醛(PLP) 共价结合于Lys680，其 磷酰基以广义酸-碱催化 方式促进Pi攻击 (1→4)3 糖苷键 (cf. Fig. 13-5)
15-4
糖原脱分支
- Product of glycogen degradation = G1P (85%) & free Glc (15%)
G1P
15
15-13
§3. 糖原降解与合成的协同调节
酶活性具有多种调节方式
- 增减酶分子数量 - 改变酶分子活力
(eg. Hexokinase IV)
16
15-14
蛋白质(酶)的磷酸化与去磷酸化
- 对已有酶分子进行共价修饰 的调节作用通常要快得多
- 其他共价修饰如腺苷酰化、 甲基化、糖基化和酯化等
肝糖原磷酸化酶的别构调节
肝糖原磷酸化酶 a 对Glc敏感：结合在其别构 部位的Glc可诱发构象变化，使被磷酸化的Ser 残基暴露于磷酸化酶 a 磷酸酶的作用下，后者 可将高活性的磷酸化酶 a 转变成低活性的磷酸 化酶 b 以适应高血糖 [血糖]升高
R state
(Arg569)
T state
(Asp238)
⊿G’o = -20~27 kJ/mol
核苷二磷酸糖 焦磷酸化酶
⊿G’o ≈ 0 kJ/mol
8
15-8
Glycogen synthesis = glycogen chain elongated
by glycogen synthase
糖原合酶不能从头开始而将两个游 离的UDP-Glc直接连接起来
(0.01 μM Glycogen ~ 0.4M Glc)
1
15-3
§1. 糖原分解
= removal of a terminal Glc residue from the nonreducing end of a glycogen by glycogen phosphorylase
游离异头C (还原端) 磷酸解使糖苷键的 部分能量被保存在 形成的磷酸酯键中 糖原磷酸化酶 断裂(14)
磷酸果糖激酶-1
PFK-1催化的反应是Glc 进入酵解之关键(不可逆) ADP
自学
ADP
F-1,6-BP
别构调节位点 同型四聚体 (E. coli)
催化位点
二聚体模型
22
15-18b/c
磷酸果糖激酶-1的调节
(cf. p291)
- [ATP/柠檬酸]升高可别构 抑制PFK-1活性而降低该 酶对F6P的亲和性
(cf. Fig. 13-11)
20
15-17
Hexokinase IV
§4. 糖酵解与糖异生的协同调节
己糖激酶Ⅳ (葡糖激酶)的核隔离调节 肝细胞
- Km high ~10 mmol - with regulator protein - not inhibited by G6P
Glycogen
10
20-16(3rd)
Starch synthesis
自学
ADP-Glc 焦磷酸化酶 - 除了活化底物是ADP-Glc之 外，合成机制与糖原的类似
淀粉合酶
11
20-14
由糖原生成(起始)蛋白开始的糖原颗粒形成
= 引发蛋白+葡糖基转移酶
自学
糖原合酶活性 葡糖基转移活性 合酶与分 支酶活性
⊿G’o = -13.4 kJ/mol
9
15-9
Branch synthesis in glycogen
= 糖原分支酶从一段至少有11 Glc残基的分 支上转移6~7个残基给该分支或邻近分支 还原端某个残基的C6上以形成新的分支 断裂(1→4)键
糖原分支酶
形成(1→6)键
糖原分支的生物学意义 - 增加糖原的可溶性 - 增加非还原端数量
- 达到8个残基后由糖原合酶 13 继续延长及分支
15-10
Muscle glycogenin (dimer)
UDP-Glc, bound to Mn2+ through its phosphates
自学
用作e–对受体以稳 定离去基团UDP
本单体Asp162先 亲核攻击形成过 渡态中间物
Asp162
肾上腺素
18
15-25
肾上腺素和胰高血糖素 肌细胞 作用的级联反应机制
(cf. Fig. 13-18)
肝细胞
- 两者分别结合于肌细胞和 肝细胞外表的特殊受体而 激活GTP结合蛋白Gs
级 联 放 大 反 应
- 最终导致糖原降解进而 提供能量(肌肉)和升高 血糖(肝脏)
no G6Pase
19
15-26
UDP-Glc 焦磷酸化酶
糖原 合酶
UDP-Glc Luis Leloir 1906-1987 1970 NP in Chem.
糖原代谢中Glc激活方式不同：
- 降解时磷酸解成G1P - 合成时核苷酰化成UDP-Glc 7
15-7
自学
核苷二磷酸糖/糖核苷酸的形成
= O– on the sugar phosphate attacking nucleophilicly P of NTP and displacing PPi, which hydrolysis pulling the reaction forward and irreversibly - 核苷二磷酸糖在寡糖和多糖 的生物合成中作为糖基供体 - UDP-Glc for glycogen synthesis in animals - ADP-Glc for starch synthesis in plants and glycogen synthesis in bacteria (无机)焦磷酸酶
LW-1
代谢调节原则：糖原代谢
- 糖原是动物和细菌内糖的贮存形式
以颗粒状存在于胞质中(~55k Glc & 2k非还原端) 含有合成、降解酶和调节蛋白
- 糖原贮备的生物学意义：可迅速动用以供急需
(尤其是大脑和红细胞等)
- 主要贮存器官：肝脏和肌肉
肝糖原(~10% DM) 血糖的主要来源
肌糖原(1~2% DM) 肌肉剧烈收缩时供能
- Debranching enzyme = bifunctional enzyme (as PFK-2)
phosphoglucomutase
磷酸葡糖 G6P 变位酶
activity 1 = 糖基转移酶
- G6P去路 肝、肾细胞中水解成Glc 脑、肌细胞中直接进入酵解 (without G6Pase) - 糖原颗粒不会被完全分解， 一般是分支减少/分子变小
- 支链淀粉亦可在 淀粉磷酸化酶的 作用下以类似的wenku.baidu.com方式降解
2
G15.15
自学
Structure of Glycogen Phosphorylase
monomer (842 AA) 别构剂 结合点 与另一亚基的 别构部位接触 dimer
PLP
糖原颗粒 结合位点
催化 部位
磷酸化位点： 高活性a型 磷酸化 低活性b型 去磷酸化
- 该过程可重复进 行至离某个分支 点相隔 4 Glc
- Ionized G1P can’t diffuse out of cell - Glc is phosphorylated: no ATP needs to be consumed to permit entry into glycolysis
Tyr194 另一单体Tyr194再 14 亲核攻击完成反应
LW-2
小结：糖原代谢
糖原以颗粒形式储存于肌肉和肝脏，颗粒中还含有 糖原代谢及调节的各种酶 糖原磷酸化酶催化糖原链非还原端残基磷酸解断裂 (1→4)键而生成G1P，去分支酶将分支转移到主链 并以游离Glc形式释出(1→6)分支点残基 磷酸葡糖变位酶催化G1P和G6P相互转化，后者在 肌细胞中可直接进入酵解，或在肝脏中被内质网的 G6P酶水解成Glc后释出以补充血糖 在糖原合酶催化下，UDP-Glc将糖基转移到糖原链非 还原端上，分支酶则可在分支点处形成(1→6)连接 新糖原合成起始于UDP-Glc的葡糖基与糖原生成起始 蛋白的Tyr残基间糖苷键的自我催化形成，随后连续 添加7 Glc残基形成引物，后者再由糖原合酶催化延长
Glc质膜载体 内质网腔
毛 细 血 管
6
H13.4
§2. 糖原合成
- High [Pi] in cell favors glycogen breakdown & prevents from glycogen synthesis in vivo. 磷酸葡糖变位酶
- Needs another way to activate Glc for transferring to glycogen chain. much better leaving group
转移酶与糖 原合酶结合
葡糖基延长活性
Glycogen core
12
15-11
糖原生成(起始)蛋白反应机制
自学
- 在葡糖基转移酶活性作用 下，Tyr194-OH亲核攻击 UDP-Glc的C1而生成糖基 化的Tyr (~非还原末端) - 非还原末端Glc的C4-OH对 另一UDP-Glc亲核攻击以 形成(1→4)糖苷键
transferring the Glc residue from UDP-Glc to the nonreducing end of a glycogen branch to make a new (1→4) linkage
directly adding to a chain like this, or needing a primer with at least 8/6 Glc residues
该机制仅作用 于L-型同工酶
24
15-22c
F-2,6-BP是糖酵解和 糖异生的高效调节剂
- F-2,6-BP为PFK-1和FBPase-1 的别构效应剂，可同时介导反向 调节以加速糖酵解而抑制糖异生
磷酸果糖激酶-1
果糖二磷酸酶-1
25
15-23
(cf. p375) - F-2,6-BP仅为调节剂，浓度 取决于其形成和降解的速率 磷酸果糖激酶-2 果糖二磷酸酶-2
Bifunctional Enz
- PFK-2和FBPase-2分别是 同一双功能蛋白的两个不 同活性区，同时受胰岛素 和胰高血糖素的反向调节
activity 2 = (16)糖苷酶
脱 支 酶
4
15-5
磷酸葡糖变位酶作用机制
(cf. Fig. 13-7)
自学
- 该酶需以活性位点的Ser 残基已被磷酸化的形式 参与反应 - 先由酶将其磷酰基转移 给G1P而生成G-1,6-BP - 再由G-1,6-BP将其C1位 磷酰基转移给酶并释出 G6P
- 在高活性的磷酸化酶 a中， 各亚基的特定Ser14残基 均被磷酸化
- 被磷酸化酶 a磷酸酶去磷 酸化后即转变为低活性的 磷酸化酶 b (失活)；后者 可经由磷酸化酶 b激酶的 磷酸化作用而被重新激活
(cf. p360)
胰高血糖素
- 糖原合酶的共价修饰与之 相似但活化形式相反，故 磷酸化时糖原分解加速而 糖原合成被抑制(合酶 a 低活性)，去磷酸化时则 分解被抑制而合成加速 (合酶 b高活性)